关键词： 骨骼肌   半唯象生物力学模型   变频调控原理   EMG信号   振子模型   外骨骼机器人   人机力交互接口   主动柔顺性控制  

摘要： 目前,主流的外骨骼控制策略（力、位置或力位混合控制方式）从原理上存在滞后,难以达成真正的人机一体化。因此,很多研究已尝试将人体的肌电信号（EMG）作为控制信号引入外骨骼系统,以期解决滞后性难题。虽然这些研究取得了一定效果,但关于如何选取合适的基于EMG提取的特征量,以及如何将这些量合理地引入控制系统仍未揭示清楚。针对以上难题,本学位论文旨在首先明确人体骨骼肌收缩与关节运动的生物力学机理,其次,面向实时工程应用得到相应的控制学模型;最后,以膝关节为对象,实现下肢外骨骼的主动柔顺控制。为了尝试从EMG中高效地提取正确的肌肉激活量信息,需要从EMG信号的产生源头——运动神经元所发放的动作电位出发,首先研究动作电位调控及驱动肌肉收缩的控制学机理。在此基础上,探索如何建立面向肌肉力实时预测的新型骨骼肌生物力学模型,从而明确从EMG特征量到骨骼肌力产生的控制学内涵,包括模型各物理量之间的输入输出关系。其次,从生物力学原理出发,尝试开发全新的基于EMG物理模型的特征量提取算法,使其能够适用于骨骼肌激活程度的实时表征。最后,基于新型骨骼肌生物力学模型,分析人-外骨骼之间的耦合动力学与人机交互力的产生机理,并利用在线智能控制算法建立新型人机力交互接口,进行人体膝关节运动的实时预测与外骨骼主动柔顺控制。论文的主要研究内容与成果归纳如下:1)骨骼肌收缩的生物电化学变频调控原理。以兴奋-收缩偶联过程（ECC）为对象,建立了肌膜动作电位活动与由之引发的胞浆Ca2+浓度([Ca2+])变化的生物电化学模型;以此模型为基础,从控制学角度阐明了骨骼肌收缩功率的调控方式,即作为控制信号的动作电位如何调控作为驱动信号的[Ca2+],及其间接调控肌肉收缩力的原理;明确了动作电位对骨骼肌动态收缩功率的调控方式是变频控制,并基于EMG特征频率与运动单元主导放电频率的关系,设计实验对变频调控原理进行了初步验证。2)骨骼肌收缩的半唯象生物力学模型。针对实时预测肌肉收缩状态这一挑战,提出了肌小节运行过程中各动力学环节的解耦框架,通过整合线性与非线性动力学框架,构建了肌小节的半唯象模型。为了便于工程应用与控制,模型包含很少的参数并且不包含任何偏微分方程,使其高度精简且相比传统模型计算效率大为提高。通过仿真模拟多种收缩状态（包括等长、等速）,验证了模型的有效性。3)EMG信号的振子模型与骨骼肌激活量的能量核表征方法。提出了一种肌肉激活量与肌肉固有特性表征的新方法,称为能量核方法。其初衷在于将EMG信号转变为平面内的相图,而相图上状态点的分布核心即称作能量核。基于相图的统计特征,将一段EMG信号近似为简谐振子——EMG振子。进而初步从生物力学角度将控制信号（EMG）与输出信号（力/功率）联系了起来,并用EMG的特征能量来表征肌肉收缩力。4)人机力交互接口与下肢外骨骼机器人的主动柔顺性控制。针对后期康复中的“病人主导模式”需求,提出了针对外骨骼膝关节的交替式预测-补偿运动控制框架。基于骨骼肌的半唯象模型与人机物理交互机理（HMIM）设计了新型人机力交互接口,包括一个在线自适应运动预测器(利用集中时间延迟型神经网络（focused-time delay neural network,FTDNN）构建),以及一个采用标准的力位混合控制策略构建的补偿器,人机力交互接口的输入信号包括EMG、转角位置以及交互力信息。其中,骨骼肌的激活量信息通过EMG的能量核方法提取。初步实验证实了此交互接口对于改进人机集成膝关节柔顺性的有效性。

关键词： 四足机器人   虚拟模型控制   牛顿-欧拉方法   柔顺控制   能量规划  

摘要： 制造出人工的、拥有腿足结构的、类似于动物的智慧代步机械,比肩造物主,一直是人类从古至今从未间断过的梦想,这一梦想持续的时间恐怕比人类翱翔于蓝天的梦想还要长。BigDog的出现犹如一针兴奋剂,在全世界范围内掀起了一股四足机器人研究的热潮。然而,在现今的科技水平下,人类能够制造出怎样的腿足移动机械,这些腿足机械又能够帮助人类发现什么或者完成什么工作呢?这些腿足式的移动机械与我们现有的车辆等运输工具相比,又有哪些优势呢?面对这一课题的挑战,我们设计并研制成功了SCalf液压驱动四足机器人。本文针对SCalf研制过程中的系统结构设计、柔顺控制方法设计与实现以及基于平面模型的跳跃控制三个方面展开论述,主要内容如下：1、针对SCalf机器人本体各个子系统的分布特点,设计了具有双CAN总线的集中式控制系统,并进行了工程实现工作；随后以提高伺服带宽、实现关节力矩控制为目标,在原有集中控制的基础上,对伺服系统进行了分布式、数字化改造,同时设计了基于该系统的分布式控制方法；基于上述分布式系统中的单腿伺服控制器,设计并实现了面向力控制的单腿测试平台。2、基于牛顿-欧拉方法建立单腿系统的动基座动力学模型；设计开发了基于足底力检测与关节位置控制的足端阻抗柔顺控制方法、基于足底力推算与关节位置控制的足端阻抗柔顺控制方法、基于虚拟模型及关节力控制的足端柔顺控制方法,完成仿真分析及实验验证,并应用于SCalf-Ⅱ平台上崎岖地形行走控制中。3、基于虚拟模型控制与能量规划的方法,对以trot步态运动的机器人奔跑及跳跃控制进行了研究,并在虚拟物理环境中进行了仿真实验；通过对机器人躯干姿态的检测,增强了该方法对崎岖地形的适应能力；在文中所提方法的假设条件不满足的情况下,对该方法的鲁棒性进行了实验与分析。通过以上的研究,本文的研究成果如下：1、设计并实现了基于双CAN总线的液压四足机器人集中式控制系统,并在其基础上首次在液压驱动大型四足机器人上实现了基于现场总线与单腿伺服控制器的分布式控制系统,并提出了适合四足机器人的分布式控制构架。2、搭建了室内液压驱动的平面单腿测试平台,开展了面向全力矩控制的单腿运动实验以及足地交互效果实验。3、基于牛顿-欧拉方法建立了单腿动基座动力学模型,以此为基础进行了基于足底力检测、足底力推算以及虚拟模型的腿足柔顺控制实验,提出了适合SCalf-Ⅱ型四足机器人的柔顺控制方法,并应用于SCalf-Ⅱ平台上崎岖地形行走控制中,效果良好。4、提出了基于虚拟模型及能量规划的四足机器人平面跳跃控制方法,该方法适应于崎岖地形,具有很好的鲁棒性和工程可实现性。本文在针对学术问题进行研究的同时,将实现成本与制造、维护难度等因素考虑进来,并通过虚拟物理仿真环境实验和物理样机实验,证明了结论具有很强的可实现性。

关键词： 四足机器人   主动柔顺   对角小跑   虚拟模型  

摘要： 腿足式机器人是移动机器人领域的一个重要分支,与常见的轮式或履带式移动机器人相比,腿足式机器人具有更好的移动灵活性和地形适应能力。其中四足机器人相对于单足或双足机器人运动更加稳定,与六足或更多足的机器人相比结构又更加简单,因此越来越多的学者开始重视四足机器人的研究。四足机器人在运动过程中,其足端与地面之间不可避免地会发生交互作用,加之机器人本身是一个多连杆、强耦合、时变的系统,机器人的运动控制非常复杂。针对上述问题,本文从课题组现有的机器人平台出发,遵循从关节到单腿再到机器人整体运动的研究顺序,控制关节输出力矩,实现腿部的主动柔顺,研究四足机器人对角小跑步态的稳定运动控制。论文的主要研究内容如下：1.针对课题组现有的液压驱动单腿测试平台,给出单腿的运动学与动力学推导过程及结果。建立关节液压驱动器的简化数学模型,并基于该模型控制机器人关节的输出扭矩。在关节扭矩控制的基础上,通过在足端构建虚拟的“弹簧-阻尼”模型,实现单腿的主动柔顺控制。最后借助在单腿测试平台进行的实验验证了控制器的有效性。2.提出一种基于虚拟模型的四足机器人对角小跑（Trot）步态控制方法,主要包括支撑相虚拟模型控制和摆动相虚拟模型控制。在支撑相阶段,建立了作用于躯干质心的虚拟力与对角支撑腿关节扭矩之间的数学关系,通过调整躯干虚拟力的大小控制躯干的高度与姿态,控制机器人前进速度和自转角速度。在摆动相阶段,将机器人侧向速度控制引入到足端轨迹规划中,并通过虚拟的“弹簧—阻尼”元件驱动摆动足沿给定轨迹运动。此外,在控制器设计过程中,引入了状态机,用于监控机器人各腿的状态,并输出对角小跑步态相位切换指令。仿真实验结果表明,机器人能够以Trot步态在平地上进行全方位移动,跨越不平坦地形,并能够抵抗外部冲击。3.在四足机器人Trot步态控制的基础上,基于虚拟模型及在线学习算法实现具有四足腾空相的对角小跑（Flight Trot）步态。通过改变机器人虚拟垂直弹簧的劲度系数调节机器人弹跳高度,通过控制躯干前向虚拟力控制机器人前进高度,通过控制躯干扭矩控制躯干姿态与转向速度。基于LM在线学习算法获得摆动腿落地点,控制机器人侧向速度。在此基础上,根据机器人运动状态设计了摆动足运动轨迹,并引入状态机协调各腿之间的运动。此外,还对Trot步态与Flight Trot步态之间的相互切换进行了研究。仿真实验表明,机器人能够以Flight Trot步态在平地上快速移动,并顺利进行步态切换。4.针对采用位置控制驱动的四足机器人的Trot步态运动设计了一种控制器,建立简化的机器人动力学模型,推导机器人足端运动与躯干姿态角之间的关系,将机器人躯干姿态与运动速度融合到足端运动规划中,并叠加机器人转向运动控制,使机器人能够稳定地以Trot步态运动。该方法的有效性通过仿真实验以及LittleCalf物理样机进行了验证。

关键词： 四足机器人   冲击力   柔顺性控制   液压伺服控制  

摘要： 近几年,四足仿生机器人以其运动速度快、灵活性高、环境适应性好、负载能力强等优点受到广泛关注,以期望在物资运输、资源勘探、地理探险、和灾难救援等众多领域发挥巨大作用。而在这些场景下,路面环境崎岖不平非常复杂,机器人在运动过程中不可避免的会与地面产生冲击力。过大的冲击力会损害机械结构,破坏控制系统的稳定,甚至出现机器人失控的情况。本课题以液压四足机器人为实验平台,针对机器人在运动过程中触地冲击力过大的问题展开了深入研究,研究成果对于提高四足机器人的运动稳定性以及环境适应性具有重要意义。本文首先通过几何法对四足机器人的运动学进行了建模分析,提出了一种约束方法解决四足机器人逆运动学关节冗余问题,为四足机器人的运动控制奠定了基础。其次,设计了以TMS320F28335 DSP为核心的底层嵌入式控制器,同时编写控制软件完成机器人单腿四个自由度的伺服控制以及与中层机之间的通讯。在此基础上针对液压执行器的非线性及非对称性,采用自抗扰控制(ADRC)技术以实现机器人关节高精度位置控制。再次,提出了基于力反馈的主动柔顺与被动柔顺相结合的控制策略,被动柔顺用于缓冲触地冲击力,延长冲击过程时间,主动柔顺利用液压执行器的阻尼特性来有效吸收冲击过程中的剩余能量,最终实现机器人稳定触地。通过单自由度垂直下落实验验证了这种方法的有效性,同时分析了柔顺性控制器参数设计原则。最后,将单腿系统等效成为单自由执行器的虚拟腿,在足端笛卡尔空间实施柔顺性控制,实验证明该方法在四足机器人运动中能够有效减小触地冲击力,提升运动平稳性。

关键词： 助行机器人   运动控制   柔顺控制   共享控制   穿戴式传感器   跌倒检测   跌倒防护  

摘要： 随着年龄的增长,老年人的行走能力逐渐下降,这不仅仅会影响他们的日常生活,更会降低他们的生活质量,增加对他人的依耐性。目前中国正逐步进入老龄化社会,据估计到2050年,老年人(年龄超过60)人口比例将会达到33%。老年人护理工作需要占用很大一部分医疗护理资源,而且价格昂贵,所以开发在日常生活中能够支撑或者帮助老年人的助行设备十分紧迫。使用机器人技术的助行机器人能够在日常生活中帮助老年人行走,让他们重新获得独立的机会,提高他们的生活质量,这些对于逐步进入老龄化社会的康复保健系统非常重要。本文对助行机器人运动控制和安全监护策略进行了研究。针对用户对助行机器人的安全性和柔顺性的要求,提出基于强化学习的共享控制机制和基于多传感器融合的柔顺运动控制算法,增加了助行机器人的柔顺性。提出两种用户跌倒检测的方法,实现了对用户的跌倒防护,提高了助行机器人的安全性。本论文详细介绍智能助行机器人I和智能助行机器人II的开发与设计。首先针对兼顾用户的使用感受和机器人系统控制的要求,开发设计了智能助行机器人I。然后在智能助行机器人I的设计基础上,增加了可调围栏式辅助支撑结构,实现了有效的物理支撑,改进了人-机交互系统,提出了基于人-机力交互控制的助行机器人导纳控制算法,实现了更加安全、稳定、灵活、成本更低以及易于实现产品化的智能助行机器人II。本论文提出一种基于强化学习的智能助行机器人共享控制机制。根据用户的控制效率和行走环境,采用强化学习算法在线调节用户控制权重值。使用共享控制方法根据用户控制权重值合成用户行走意图速度和助行机器人规划速度,得到即能顺应用户意图,又能保障用户安全的运动控制。一系列实验结果证明基于强化学习的共享控制机制能够在保障安全的情况下,有效保证用户的运动表现。本论文研究智能助行机器人的用户跌倒检测和防护策略。采用穿戴式传感设备在线观测用户行走状态,将用户压力中心点(COP)和双脚中点的距离以及用户腰部的高度作为检测特征,对用户跌倒趋势进行检测。当用户处于正常行走状态下时,使用传统的导纳控制算法,当助行机器人检测到用户有跌倒趋势时,立即停止运动,防止用户跌倒。实验结果证明用户跌倒检测和防护策略的有效性。本论文针对智能助行机器人运动控制中的柔顺性和安全性,提出助行机器人多传感器融合柔顺运动控制和安全监护方法。使用力传感器和激光测距仪分别得到用户上／下肢的运动意图速度,使用基于卡尔曼滤波的序贯概率比检验法(SPRT)方法和决策函数来判断用户跌倒趋势及跌倒模式。当用户处于正常行走状态时,采用多传感器融合技术融合上肢和下肢表现出来的运动意图速度,得到更加准确,更加柔顺的用户意图速度。当检测到跌倒趋势时,紧急制动机器人。实验证明该运动控制算法能够有效增加用户在操作机器人时的柔顺性,并且预测用户的跌倒趋势,采取有效的跌倒防护。本论文研究智能助行机器人对用户的跌倒防护运动控制。为了提高助行机器人的安全性和跌倒防护过程中的柔顺性,提出基于阻抗-滑模控制的用户跌倒防护运动控制算法。建立用户跌倒时的助行机器人动力学模型和阻抗控制模型。结合滑模控制算法,设计动态补偿器,使机器人系统在到达滑模面的同时实现阻抗控制。Matlab仿真实验和智能助行机器人实验证明用户跌倒防护运动控制算法的有效性。

关键词： 套索传动   传递模型   补偿控制   柔顺控制  

摘要： 套索传动机构在机器人设计中是一个重要的研究方向。由于其具有体积小、结构简单和质量轻等优点,套索传动机构主要应用在一些受空间限制的场合,如手术机器人、搜救机器人等。然而,套索系统的控制却是一个关键性难题。一方面,套索系统存在着运动间隙、张力衰减等非线性现象；另一方面,空间限制、消毒安全等问题限制了末端传感器的安装。这些都阻碍了套索系统应用在一些需要精密控制的场合。针对这些问题,本文对套索传动系统的建模以及末端无反馈的补偿控制方法进行了深入的研究,并针对套索传动系统操作对象的特殊性,进行了相应的柔顺性控制研究,提高其操作安全性。分析套索驱动机构的拉力传递特性,建立套索系统的静态和动态的拉力传递模型。基于静态拉力传递模型,提出了末端无传感器的拉力补偿控制方法。搭建了基于MATLAB的半物理控制的实验装置,实验验证了所建立的拉力传递模型及拉力补偿控制算法。分析套索驱动机构的位移传递特性,建立套索系统的静态和动态的位移传递模型。分别基于静态和动态位移传递模型,提出了逆模补偿控制和迟滞前馈控制两种控制策略。实验验证了所提出的位移传递模型和位移精密控制算法。为了实现软操作要求,进行了柔顺性控制研究。基于被动柔顺控制理论,设计了柔顺性末端执行器,并进行了相应的实验研究。基于主动柔顺控制理论,分别设计了阻抗控制和力／位混合控制算法,并进行了实验验证。

关键词： 踝关节康复   Stewart   结构优化   柔顺控制   自适应力控制  

摘要： 人类的踝关节所处的力学环境极大地增加了它受到损伤的几率,使得它在人体运动损伤中相当常见。另外,手术后恢复、中风、脊髓损伤、脑颅损伤等神经系统受损也都可能造成踝关节运动障碍。患者人数相当多,因此,亟待引入康复治疗。目前,康复治疗依赖理疗师,不仅理疗师工作强度大,治疗方式的量化和精确性也没有保障。所以,对踝关节康复机器人的需求相当迫切。本文从解剖学、神经康复学角度论证了康复训练的必要性和有效性,并提出一种基于Stewart平台的踝关节康复机器人,能够实现踝关节三个旋转方向的康复训练。分析了Stewart平台的运动学运动学反解,用逆Broyden秩1法做了运动学正解获得了平台的实时位姿。此外,对单刚体动力学模型也进行了分析。随后,以工作空间内雅可比矩阵条件数为优化目标函数用遗传算法对机器人的结构进行了优化设计。确定结构参数后,建立了Adams模型,并通过和Simulink联合仿真完成了机器人的铰点空间控制。铰点空间控制达到了较好的特性,频宽达到4Hz左右。将铰点空间控制模型当成系统内环,引入人机作用力,提出了一种全新的智能柔顺控制策略,并通过联合仿真验证了该策略在踝关节被动训练中的有效性。所提出的柔顺控制策略能满足在人机作用力较小时,保证位姿跟踪精度;当人机作用力较大时,保证柔顺性,在康复机器人领域非常适用。此外,将单神经元自适应PID控制策略应用在踝关节主动训练中也取得了很好的效果,能够在患者主动运动时使人机作用力矩基本维持在给定值。最后,通过实验对踝关节康复机器人的性能进行了测试。

关键词： 幕墙安装机器人   轨迹规划   阻抗控制   柔顺操作   六维力传感器  

摘要： 随着我国城市化进程的加快,越来越多的大型高层建筑开始广泛应用于各行业领域,以幕墙板材安装为特点的建筑装饰行业也随着人们审美要求的不断提高而蓬勃发展。由于我国建筑施工行业整体自动化、智能化水平相对较低,导致安全事故频发,给国家和个人带来重大损失。在房地产市场转型和“中国制造2025”的双重推动下,建筑施工自动化、智能化也将成为必然趋势。幕墙安装机器人作为建筑施工自动化的重要体现,具有巨大的发展潜力,但其控制系统的安全性、稳定性以及操作的柔顺性一直是制约其实用化的关键因素。本文以自主研发的6自由度串联幕墙安装机器人为对象,利用基于阻抗控制的力控制算法对其柔顺操作系统进行研究。首先对其进行了运动学和动力学的分析与仿真,运用D-H法和拉格朗日力学分析法建立了相关运动学和动力学方程。并结合所列方程,针对幕墙安装时机器人末端直线移动的特点,总结该机器人的空间轨迹规划算法,并通过Matlab机器人工具箱与机器人本体实验,验证了该算法的可行性,为后续的力控制的研究奠定基础。然后,针对基于阻抗控制的幕墙安装柔顺操作策略,选取幕墙安装机器人大臂和小臂的简化模型作为研究对象,分别运用基础阻抗控制和自适应阻抗控制理论建立数学模型和控制结构框图。结合幕墙安装的流程和特点,将整个运动过程分为自由运动空间和环境接触空间,运用Matlab/Simulink仿真平台,分别进行了空间直线、曲线和环境接触的仿真以及相关阻抗控制参数的调整。通过探讨阻抗控制参数对系统性能指标的影响以及对两种力控制算法的比较,总结出一套符合幕墙安装流程的力控制算法。并针对不同幕墙安装预紧力变化的要求,总结出阻抗控制参数的调整方法以避免接触过程中力峰值过大而对幕墙造成的损坏。最后,结合幕墙安装机器人运动控制系统,在自由运动空间进行了相关柔顺操作实验,运用六维力传感器和激光跟踪设备对机器人末端位置和操作力进行检测,通过数据分析得到了较好的位置跟踪特性和柔顺操作特性,验证了该方法用于幕墙安装机器人柔顺操作的合理性,保证了其控制系统的稳定性和安全性。

关键词： 下肢康复   驱动冗余度   绳索力   绳索驱动单元   阻抗控制  

摘要： 近年来,随着人们生活质量的提高,服务型机器人受到社会广泛关注,其中帮助运动功能障碍患者进行康复训练的机器人也快速发展起来。因绳牵引并联机构具有机构布置容易、柔顺性好等特点,所以更能满足康复训练中的机器人构型需要和柔顺性要求,增强患者在康复训练中的有效性和安全性。因此,研究绳牵引下肢康复机器人绳索力及其柔顺性控制具有重要的现实意义。本课题是在国家自然科学基金(51405095)、哈尔滨市科技创新人才专项资金(2014RFQXJ037)及黑龙江博士后科研启动金(LBH-Q15030)资助下进行的。主要内容如下:首先,根据步态训练需要,建立了刚柔混联机器人构型,依据机器人构型的驱动冗余度,利用广义逆g逆与Drazin逆,建立了绳索力优化模型,并通过MATLAB对模型进行了仿真分析,求解出绳索力变化规律。利用所提出的衡量绳索驱动力性能指标,对比分析不同驱动冗余度下绳索驱动力的性能,为机器人绳索设置提供了依据。其次,建立机器人系统动力学模型,并依据绳索驱动单元的数学模型,分析绳索刚度系数K与绳索阻尼系数B对绳索驱动单元频率特性的影响,进而分析刚柔混联下肢康复机器人的被动柔顺性。考虑到训练者与机器人直接接触,为了保证训练者在康复训练中的有效性和安全性,建立基于力内环、位置外环的阻抗控制策略,使系统具有主动柔顺性特征,同时考虑外界扰动,在阻抗控制中加入前馈控制,构成绳索驱动单元的复合控制策略,实现抵抗扰动干扰提高跟踪效果。利用MATLAB/Simulink对系统控制性能进行仿真分析,并验证所建控制策略的有效性。最后,通过雷赛DMC5000运动控制卡、MLDS3620多功能直流伺服驱动器、阿尔泰PCI8620数据采集卡以及工业控制计算机建立控制系统。通过对样机进行绳索驱动单元力闭环实验、绳索驱动单元轨迹跟踪实验以及绳索驱动单元阻抗控制实验,证明了所建立的刚柔混联下肢康复机器人控制策略对系统主动柔顺性控制的有效性。

关键词： 机器宇航员   协调操作   柔顺控制   力位跟踪  

摘要： 人类宇航员由于不能适应恶劣的太空环境无法长期停留在外太空,普通的单链空间机器人又由于灵巧性差和操作能力低等缺点无法完全胜任复杂多样的操作任务,因此,研究人类宇航员的替代品——机器宇航员的需求日益迫切。相比于其它空间机器人,机器宇航员最显著的优点是其出众的协调操作能力。为达到精细操作任务的要求,需要控制协调操作任务中必要的操作力,同时限制任务中对系统有害的作用力,即需要在任务中实施柔顺控制。本文围绕机器宇航员协调操作过程中操作物的轨迹跟踪控制、力柔顺控制以及臂杆与环境的接触力柔顺控制等问题进行了研究,并通过典型双臂协调任务的仿真和实验对控制算法的有效性进行了验证。针对在约束环境中执行操作任务机器人的位姿跟踪和力/力矩控制问题,研究了机器人的柔顺控制算法。基于机器人动力学模型,研究了其位置控制方法及力控制方法,并应用力/位混合控制原理,将位置控制和力控制进行结合得到机器人的柔顺控制模型。针对存在动力学参数误差的情形,在机器人的柔顺控制模型中引入参数自适应定律,得到不确定模型下机器人的自适应柔顺控制方法,实现了机器人稳定的力位跟踪控制,满足了绝大部分柔顺控制的精度要求。针对机器宇航员协调操作中操作物位姿跟踪以及力柔顺控制问题,设计了机器宇航员协调操作柔顺控制算法。首先基于拉格朗日方法,建立了机器宇航员系统(含耦合分支和双臂)的动力学方程。然后,针对松协调和紧协调操作,分别设计了机器宇航员的协调操作柔顺控制算法,实现了精确动力学模型下机器宇航员稳定的位姿跟踪和力柔顺控制。最后,针对存在动力学参数误差的情形,在机器宇航员协调操作柔顺控制模型中引入鲁棒控制补偿项,得到了不确定模型下机器宇航员协调操作鲁棒柔顺控制方法,实现了不确定模型下机器宇航员稳定的位姿跟踪和力柔顺控制。针对机器宇航员在复杂环境中执行任务时臂杆与环境发生碰撞或接触的情况,提出了利用零空间力矩控制臂杆与环境接触力的方法,实现了在不影响机器宇航员末端操作任务的前提下将臂杆与环境的接触力控制在一定范围内的目标。与一般的避障控制算法相比,避免了牺牲障碍物附近的操作空间,从而增加了机器宇航员可执行任务的数量和种类。为了验证本文中提出的控制算法的有效性和可行性,针对典型双臂协调任务,开展了机器宇航员协调操作柔顺控制的实验研究,得到了与预期目标相符的实验结果,验证了本文中控制算法的有效性。